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Die Erfindung betrifft einen Wärmeüberträger.
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Wärmeüberträger (auch Wärmetauscher) sind allgemein bekannt, beispielsweise aus http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme %C3%BCbertrager (13.11.2009).
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Wärmeüberträger bzw. Wärmetauscher sind Systeme, welche thermische Energie von einem ersten Stoffstrom auf einen anderen, zweiten Stoffstrom übertragen.
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Das Ausmaß der Wärmeübertragung ist im starken Maße von der geometrischen Führung beider Stoffströme zueinander abhängig. Die Führung der Stoffströme kann dabei in drei Grundformen unterschieden werden.
- (a) Gegenstrom führt die Stoffströme so, dass sie entgegenkommend aneinander vorbei strömen. Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme getauscht, das heißt, dass das ursprünglich kalte Medium die Temperatur des ursprünglich heißen Mediums erreicht und umgekehrt. Voraussetzung für diesen Idealfall sind gleiche Wärmekapazitätenströme auf beiden Seiten des Wärmeüberträgers. Darüber hinaus müsste der Wärmeüberträger einen Wirkungsgrad von 100 Prozent haben. Aus diesem Grund ist ein Tausch der Temperaturen in der Praxis nur näherungsweise möglich.
- (b) Gleichstrom führt die Stoffe so, dass sie nebeneinander in gleicher Richtung strömen. Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen immer zwischen den Ausgangstemperaturen.
- (c) Kreuzstrom führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen Gegen- und Gleichstrom.
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Für eine gute Effizienz eines Wärmetauschers muss das Material, das die Stoffströme trennt, eine gute Wärmeleitung und große Oberfläche aufweisen.
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Aus der
DE 199 22 673 C1 sowie der
EP 1 327 846 A2 sind verschiedene Ausführungen von Wärmetauschern, insbesondere zur Verwendung im Automobilbau, bekannt, welche Profilrohre aufweisen. Bei diesen bekannten Wärmetauschern sind Profilrohrabschnitte, vorzugsweise aus Blech, Aluminium oder Aluminiumlegierung, durch Lamellenabschnitte getrennt parallel zueinander angeordnet, an ihren beiden Enden an je einem Sammelrohr befestigt und werden alle von ein und demselben Medium durchströmt.
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Die
DE 199 22 673 C1 schlägt weiter vor, die Profilrohre durch Strangpressen herzustellen, wohingegen die
EP 1 327 846 A2 diese durch Schweißen oder Falten von Bändern herstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, welcher einfach und kostengünstig herzustellen ist sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch den Wärmeüberträger bzw. Wärmetaucher sowie durch das, Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeüberträgers bzw. Wärmetauchers mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.
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Dieser Wärmetauscher weist mindestens ein Profilrohr auf, das als Rohr-in-Rohr-System ausgebildet ist.
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Dabei wird erfindungsgemäß unter dem profilierten Rohr-in-Rohr-System verstanden, dass ein erster, innerer Rohrabschnitt des Profilrohrs innerhalb eines zweiten, äußeren Rohrabschnitts dieses Profilrohrs angeordnet ist. So kann z. B. der innere Rohrabschnitt im Wesentlichen mittig zum äußeren Rohrabschnitt angeordnet bzw. können der innere Rohrabschnitt und der äußere Rohrabschnitt im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet bzw. positioniert sein.
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Um eine im Allgemeinen beliebige, im Speziellen beispielsweise konzentrische Positionierung von innerem und äußerem Rohrabschnitt zu realisieren, ist es vorteilhaft, Positionierelemente, z. B. mindestens einen Trennsteg, im Profil vorzusehen. Über einen solchen, z. B. Trennsteg können so innerer Rohrsbschnitt und äußerer Rohrabschnitt, im Allgemeinen bzw. im Speziellen und beispielhaften im Wesentlichen konzentrisch zueinander, „auf Abstand gehalten” werden.
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Von besonderem Vorteil erweist sich dabei, dass durch diese erfindungsgemäße Rohr-in-Rohr-Positionierung von innerem und äußerem Rohrabschnitt eine große für den Wärmeaustausch nutzbare Oberfläche vorhanden ist. Ferner ist der erfindungsgemäße Wärmetäuscher auf Grund seiner runden (rohrartigen) Formen druckfester bzw. für höhere Drücke, z. B. bei komprimierten Medien in Wärmepumpen, geeignet.
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Ferner ist gemäß der Erfindung unter „Rohr”, „rohrförmig” u. ä. nicht streng eine nur kreisförmige Querschnittsform eines solchen Rohres bzw. rohrförmigen Elements zu verstehen. Die Erfindung umfasst mit diesen Begriffen auch davon abweichende Querschnittsformen, wie ellipsenförmige, ovale, rechteckförmige Querschnittsformen (oder Kombinationen hiervon) oder auch im Allgemeinen polygonartig, geschlossenen Querschnittsformen von länglichen Hohlkörpern.
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Des weiteren ist von besonderem Vorteil bei der Erfindung, dass die Erfindung für das Rohr-in-Rohr-System ein (einziges) Profilteil vorsieht. Hinreichend bekannte Technologien für Profilteile im Allgemeinen, deren Herstell- und Beabeitungsverfahren können so in kostengünstiger Weise bei der Erfindung angewandt werden.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bevorzugt lässt sich das Rohr-in-Rohr-System zumindest teilweise spiralförmig, gewendelt oder mäanderförmig ausbilden. Dadurch kann eine für den Wärmmaustausch nutzbare Oberfläche bei gleichzeitiger insgesamt platzsparenden Bauweise des Wärmetauschers erhöht werden.
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Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das mindestens eine Profilrohr „nach Außen hin” isoliert ist. Wärmeverluste nach „Außen” können dadurch reduziert und der Wirkungsgrad des Wämretauschers erhöht werden. Besonderes vorteilhaft, weil einfach zu realisieren, ist es, eine solche Isolierung nach „Außen” unter Verwendung eines über das mindestens eine Profilrohr zumindest teilweise überzustülpende Isolierrohres zu realisieren.
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Um den Wärmetauscher in übergeordnete Systeme, beispielsweise Wärmepumpen, zu integrieren, ist es vorteilhaft, an dem inneren Rohrabschnitt und/oder an dem äußeren Rohrabschnitt Anschlusselemente anzuordnen. Mittels solcher Anschlusselemente lassen sich darüber hinaus auf besonderes einfache Weise innerer Rohrabschnitt und äußerer Rohrabschnitt des Rohr-in-Rohr-Systems bzw. die dadurch realisieren Kanalsysteme wieder separieren. So ist es beispielsweise möglich, den äußeren Rohrabschnitt zu kürzen und in dem Kürzungsbereich gegebenenfalls liegende Stege zu entfernen. Weiterhin kann ein mit dem äußeren Rohrabschnitt verbundenes, als Winkelstück ausgebildetes Anschlusselement so mit einer Bohrung versehen sein, dass der innere Rohrabschnitt durch die Bohrung gerade herausgeführt werden kann. Hier ist es sinnvoll, den inneren Rohrabschnitt an der Bohrung bzw. Durchführung abzudichten. Für beide nun so separierten Rohrabschnitte besteht die Möglichkeit diese über weitere Anschlusselemente an weiterführende Rohrsysteme anzuschließen.
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Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers kann weiter gesteigert werden, wenn das Rohr-in-Rohr-System, insbesondere der innere Rohrabschnitt, weitere Profilierungen – für eine noch größere für den Wärmeaustausch nutzbare Oberfläche – aufweist (Prinzip „Kühlrippen”) und/oder der innere Rohrabschnitt als Mehr-Rohr-Profil ausgebildet ist.
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Besonderes vorteilhaft ist es, das erfindungsgemäße Profilrohr durch Umformen, insbesondere durch Strangpressen, herzustellen. Ein Strangpressen, welches im Allgemeinen bekannt ist, z. B. http://de.wikipedia.orq/wiki/Strangpressen (13.11.2009), stellt ein kostengünstiges und einfaches Herstellverfahren für Profilteile, insbesondere aus Stahl, Aluminium oder Aluminiumlegierungen, dar. Insbesondere erweist sich von Vorteil, dass durch das Strangpressen beliebig lange erfindungsgemäße Profilrohre herstellbar sind.
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Darüber hinaus ist weiter von besonderem Vorteil, wenn das mindestens eine als Rohr-in-Rohr-System ausgebildete, insbesondere beliebig lange Profilrohr, insbesondere unmittelbar, nach dem Umformverfahren weiter verformt wird. Hierbei kann die weitere Verformung in einer zumindest teilweisen, insbesondere als einer Endlosspirale ausgebildeten, Spiralisierung des Profilrohrs, einer Wendelung des Profilrohrs und/oder einer Verformung des Profilrohrs zu einer mäanderförmigen Form bestehen. Da nämlich das als Rohr-in-Rohr-System ausgebildete, insbesondere beliebig lange Profilrohr nach dem Umformen noch eine erhöhte Temperatur bzw. Restwärme aufweist, nämlich die Restwärme des nach dem Erwärmen des zu profilierenden Rohlings auf Umformtemperatur profilierten Profilrohrs, kann dieses noch restwarme Profilrohr vereinfacht weiter, beispielsweise zu einer Endlosspirale, verformt werden. Eine solche Endlosspirale kann dann entsprechend der benötigten Längen von Wärmetauschern entsprechend getrennt und/oder geschnitten werden.
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Bevorzugt lässt sich der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher betreiben, wobei ein erstes Medium in dem inneren Rohrabschnitt gegenläufig einem zweiten Medium in dem äußeren Rohrabschnitt strömt. Gegenstromwärmetauscher übertragen bei ansonsten gleichen Bedingungen mehr Wärme als Gleichstromwärmeüberträger und weisen deshalb in der Regel höhere Wirkungsgrade auf.
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In 1–5 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche im Weiteren näher erläutert werden.
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Es zeigen
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1 Wärmeüberträger als Rohr-in-Rohr-System mit mehreren Stegen zur Positionierung eines inneren Rohrabschnittes in einem äußeren Rohrabschnitt des Rohr-in-Rohr-Systems;
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2 Wärmeüberträger als Rohr-in-Rohr-System mit Abflachungen im äußeren Rohrabschnitt zur vereinfachten gerichteten Biegung des Rohres;
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3 Wärmeüberträger als Rohr-in-Rohr-System mit druckoptimierter Profilierung des inneren Rohrabschnitts durch Verringerung von Druckflächen;
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4 Wärmeüberträger als Rohr-in-Rohr-System mit weiteren Profilierungen zu einer Vergrößerung der Übertragungsfläche, insbesondere bei Medien mit geringerem Wärmedurchgang als ein Wärmeübertragermaterial;
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5 Wärmeüberträger als Rohr-in-Rohr-System mit einem Endstück zur einfachen Trennung der Medien auf Anschlussmöglichkeiten.
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Ausführungsbeispiel 1: Wärmetauscher Rohr-in-Rohr-Profil
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1 zeigt einen Wärmetauscher, einen im Folgenden als Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher bezeichnet, im Querschnitt.
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Der Rohr-in Rohr Wärmetauscher ist ein profiliertes Strangpressteil, welches einen inneren Rohrabschnitt (3) sowie einen äußeren Rohrabschnitt (2) aufweist. Wie weiter 1 zeigt wird der innere Rohrabschnitt (3) mittels – in diesem Fall – vier in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten (Trenn-)Stegen (4), welche ebenfalls Bestandteile des profilierten Strangpressteils sind, in etwa mittig des äußeren Rohrabschnitts (2) platziert.
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Der innere Rohrabschnitt (3) begrenzt – nach innen – einen ersten inneren Strömungskanal (5). Der äußere Rohrabschnitt (2) begrenzt zusammen mit dem inneren Rohrabschnitt (3) und den vier Trennstegen (4) vier separate äußere Strömungskanäle (6).
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Der gezeigte Rohr-in-Rohr Wärmetauscher wird als Gegenstromwärmetauscher betrieben, wobei ein erstes Fluid den inneren Strömungskanal (5) und ein zweites Fluid in Strömungsrichtung entgegen der des ersten Fluids die äußeren Strömungskanäle (6) durchströmen.
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Über die Längserstreckung des Rohr-in-Rohr Wärmetauscher gibt das erste, in diesem Fall heißere Fluid Wärme an das zweite, kältere Fluid ab, welches dadurch erwärmt wird.
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Ausführungsbeispiel 2: Wärmetauscher Rohr-in-Rohr-Profil mit abgeflachtem äußeren Rohrabschnitt
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2 zeigt einen – ähnlich dem in 1 im Querschnitt dargestellten ersten Rohr-in-Rohr Wärmetauscher – zweiten Rohr-in-Rohr Wärmetauscher, welcher ebenfalls das profilierte Strangpressteil mit innerem und äußerem Rohrabschnitt (3 und 2) sowie den vier Trennstegen (4) ist.
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Der in 2 gezeigte zweite Rohr-in-Rohr Wärmetauscher weist an gegenüberliegenden Seiten des äußeren Rohrabschnitts (2) sowie des inneren Rohrabschnitts (3) jeweils Abflachungsabschnitte auf, welche parallel einer durch eine Mittelachse (7) des Rohr-in-Rohr Wärmetauschers ausgerichtet sind. Auch die vier Stege (4) sind achsensymmetrisch zur Mittelachse ausgerichtet.
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Eine derartige Gestaltung des zweiten Rohr-in-Rohr Wärmetauschers bzw. äußeren und inneren Rohrabschnitts (2 und 3) ermöglicht eine gerichtete Biegung des Rohr-in-Rohr Wärmetauschers um die gezeigte Mittelachse (7).
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Ausführungsbeispiel 3: Wärmetauscher Rohr-in-Rohr-Profil mit druckoptimierter Profilierung des inneren Rohrabschnitts
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In Figur ist ein weiterer – ebenfalls den in 1 und 2 im Querschnitt dargestellten Rohr-in-Rohr Wärmetauscher ähnlicher – dritter Rohr-in-Rohr Wärmetauscher dargestellt. Auch dieser weist das bekannte profilierte Strangpressteil mit innerem und äußerem Rohrabschnitt (3 und 2) sowie den vier Trennstegen (4) auf.
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Darüber hinaus weist – wie 3 zeigt – dieser dritte Rohr-in-Rohr Wärmetauscher einen weiter profilierten inneren Rohrabschnitt (3) mit zusätzlich im inneren Rohrabschnitt (3) liegenden Rohrabschnitten auf.
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Die Profilierung dieses Rohr-in-Rohr Wärmetauscher erweist sich – auf Grund der Verringerung von Druckflächen – als in hohem Maße druckoptimiert, wodurch dieser Rohr-in-Rohr Wärmetauscher insbesondere geeignet ist für komprimierte Medien, wie sie beispielsweise in Wärmepumpen verwendet werden.
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Ausführungsbeispiel 4: Wärmetauscher Rohr-in-Rohr-Profil mit weiteren Profilierungen zu einer Vergrößerung der Übertragungsfläche
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4 zeigt einen – ähnlich dem in 3 im Querschnitt dargestellten dritten Rohr-in-Rohr Wärmetauscher – vierten Rohr-in-Rohr Wärmetauscher, welcher ebenfalls – neben den sonstigen übereinstimmenden Elementen – einen weiter profilierten inneren Rohrabschnitt (3) aufweist.
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In diesem Fall besteht wie 4 zeigt die weitere Profilierung des inneren Rohrabschnittes (3) in zusätzlichen rippenförmigen, über den Umfang des inneren Rohrabschnitts (3) verteilten, radial nach innen und außen gerichtet Fortsätze, im Folgenden kurz als Kühlrippen (8) bezeichnet.
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Diese Kühlrippen (8) führen zu einer Vergrößerung einer Wärmeübertragungs-/-austauschfläche und steigern dadurch im Falle von Medien mit geringerem Wärmedurchgang als das Material des Rohr-in-Rohr Wärmetauschers den Wirkungsgrad bei einem solchen vierten Rohr-in-Rohr Wärmetauscher.
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Ausführungsbeispiel 5: Wärmetauscher Rohr-in-Rohr-Profil mit einem Endstück zur einfachen Trennung der Medien auf Anschlussmöglichkeiten
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5 zeigt in einem Längsschnitt einen Endbereich eines Rohr-in-Rohr Wärmetauschers, wie er beispielsweise aus den 1 bis 4 sowie den zugehörigen Beschreibungen bekannt ist.
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Wie 5 zeigt, sind – um beispielsweise den Wärmetauscher in übergeordnete Systeme (nicht dargestellt), z. B. eine Wärmepumpe, zu integrieren – an dem inneren Rohrabschnitt (3) und an dem äußeren Rohrabschnitt (2) entsprechende Anschlüsse bzw. Anschlußelemente (9) angeordnet.
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Wie 5 zeigt, ist dabei der äußere Rohrabschnitt (2) gegenüber dem inneren Rohrabschnitt (3) gekürzt. In dem Kürzungsbereich liegende Stege (4) des Rohr-in-Rohr Wärmetauschers sind entfernt, wodurch der innere Rohrabschnitt (3) teleskopartig gegenüber dem äußeren Rohrabschnitt (2) verlängert ist bzw. aus diesem herausragt.
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Mit dem äußeren Rohrabschnitt (2) ist ein als Winkelstück ausgebildetes Anschlusselement (9) verbunden. Dieses winkelförmige Anschlusselement weist an seiner axilaen Stirnseite eine Bohrung auf, durch welche der innere Rohrabschnitt (3) des Rohr-in-Rohr Wärmetauschers gerade herausgeführt ist. Die Durchführungsbohrung ist durch eine Abdichtung (10) druckdicht abgedichtet.
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Für beide nun so separierten Rohrabschnitte bzw. separierten Fluidströme besteht die Möglichkeit diese über weitere Anschlusselemente (an dem winkelförmigen Anschlusselement (9) sowie an dem dem inneren Rohrabschnitt (3)) an weiterführende, separate Rohrsysteme anzuschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeüberträger, Wärmetauscher
- 2
- äußerer Rohrabschnitt
- 3
- innerer Rohrabschnitt
- 4
- Trennsteg
- 5
- innerer Strömungskanal
- 6
- äußerer Strömungskanal
- 7
- Mittelachse
- 8
- Kühlrippen
- 9
- Anschlusselement
- 10
- Abdichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19922673 C1 [0006, 0007]
- EP 1327846 A2 [0006, 0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme %C3%BCbertrager [0002]
- http://de.wikipedia.orq/wiki/Strangpressen [0021]
